JP3702838B2 - Spark plug and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中心電極および接地電極を放電ギャップを介して対向配置するとともに、接地電極における放電ギャップに面する部位に貴金属チップをレーザ溶接してなるスパークプラグおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種のスパークプラグは、内燃機関の点火栓として用いられるが、排気浄化や希薄燃焼の観点より、放電ギャップに面する電極面にPt(白金)合金やIr(イリジウム)合金等の耐消耗性に優れた貴金属よりなる貴金属チップを設け、それによって、着火性や耐久性の向上を図っている。
【0003】
ここで、電極母材と貴金属チップとの接合性向上の策として、従来より、特開平11−233233号公報や特開平9−106880号公報に記載されているようなレーザ溶接を用いた手法が提案されている。
【0004】
前者公報は、電極母材の先端部を細径化し、この細径化された部分に貴金属チップをレーザ溶接するものであり、後者公報は、電極母材に貴金属チップを埋め込んでチップ周囲に電極母材の盛り上がった部分を形成し、この盛り上がり部とチップとをレーザ溶接するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、上記従来公報に記載の手法を用いた場合、中心電極と貴金属チップとの接合においては、実用レベルの接合性を確保できるが、接地電極と貴金属チップとの接合においては、接合部から剥離が生じ、最悪チップが脱落してしまうことがわかった。
【0006】
これは、スパークプラグの内燃機関への取付形態において、接地電極が中心電極に比べて燃焼室内に突出しているためであり、それによって、接地電極の方が中心電極よりも電極温度が高くなり、貴金属チップと電極母材との間すなわち溶融部にて発生する熱応力が大きくなるためである。
【0007】
そのため、貴金属チップを接地電極にレーザ溶接するにあたって、上記した従来手法以上に接合性を良好なものとする必要がある。ただし、貴金属チップと接地電極との接合性を向上させるにあたっては、当該接合性のみでなく着火性も考慮して検討していくことが必要である。
【0008】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、接地電極に貴金属チップをレーザ溶接して成るスパークプラグにおいて、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の着火性の確保及び接合性の向上化について、鋭意検討を行った。まず、着火性については、貴金属チップは、その径が細いほど、また、接地電極からの突出長さが長いほど、放電ギャップにて発生する火炎核の成長を阻害しにくいことに着目し、火炎核の成長を阻害せずに良好な着火性を確保可能な貴金属チップの径および接地電極からの突出長さについて実験検討を行った。
【0010】
また、接地電極と貴金属チップとの接合性については、上記従来手法による貴金属チップのレーザ溶接構造を中心電極に適用した場合に、中心電極とチップとの溶融部に発生する熱応力(中心電極側熱応力)を基準として考えた。これは、上述したように、従来手法により発生する中心電極側熱応力のレベルであれば、実用レベルの電極母材とチップとの接合性を確保できるためである。
【0011】
そして、接地電極とチップとのレーザ溶接構造における溶融部の熱応力(接地電極側熱応力)が、上記中心電極側熱応力を超えないような接地電極とチップとのレーザ溶接構造を実現すれば、上記目的を達成することができると考えた。
【0012】
ここで、上記従来公報のスパークプラグにおいては、溶融部におけるチップの軸方向に沿った断面をみたとき、貴金属チップの側面と電極母材における貴金属チップの接合面とを結ぶ溶融部の外面が直線状となっている(図3参照)。このような溶融部形状に対して、溶融部を更に細いものとすれば、溶融部に発生する熱応力を小さくし、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させることができるのではないかと考えた。
【0013】
本発明は、上記したような着火性の確保及び接合性の向上化に関する検討に基づいてなされたものである。
【0014】
すなわち、請求項1に記載の発明においては、貴金属チップ(45)を、その一端側が接地電極(40)にレーザ溶接され、他端側の先端面の断面積が0.12mm2以上1.15mm2以下であって接地電極からの突出長さ(L)が0.3mm以上1.5mm以下とし、接地電極と貴金属チップとが溶け込み合った溶融部(47)において、貴金属チップの側面(45a)と接地電極における貴金属チップの接合面(43)とを結ぶ外面(47a)が、凹んだ曲面形状であり、0.1mm以上1.0mm以下の曲率半径(R)を有していることを特徴としている。
【0015】
上記した着火性と貴金属チップの径および接地電極からの突出長さとの関係に関する実験検討の結果、レーザ溶接された他端側の先端面の断面積が1.15mm2以下であって接地電極からの突出長さ(L)が0.3mm以上の貴金属チップであれば、火炎核の成長を阻害せずに良好な着火性を確保できることが実験的に確認できた。
【0016】
一方、貴金属チップにおいて、上記断面積が0.12mm2より細いと火花が集中して消耗性が悪化し、接地電極からの突出長さが1.5mmよりも長いとチップ先端の温度が大きく上昇し溶融しやすくなってしまう。このことから、貴金属チップを、本発明のような断面積および接地電極からの突出長さを有するものとすれば、着火性を適切に確保することができる。
【0017】
また、溶融部に発生する熱応力を小さくするために溶融部形状を検討した結果、貴金属チップ(45)の側面(45a)と接地電極(40)における貴金属チップの接合面(43)とを結ぶ溶融部(47)の外面(47a)が、曲率半径(R)を有して凹んだ曲面形状となるようにすれば、溶融部において接合に要する容積を確保しつつ、溶融部をできるだけ細いものにできると考えた。
【0018】
そして、実際に、上記形状をなす溶融部について解析したところ、当該溶融部に発生する熱応力は、従来手法により発生する中心電極側熱応力以下に抑制できることが確認できた。
【0019】
従って、以上のような検討結果に基づいてなされた本発明によれば、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させたスパークプラグを提供することができる。
【0020】
さらに、請求項1に記載の溶融部(47)における曲率半径(R)について、従来手法により発生する中心電極側熱応力を基準にして解析したところ、当該曲率半径が0.1mmより小であるか、1.0mmより大であると、溶融部に加わる熱応力が、上記中心電極側熱応力のレベルを超えやすくなってしまうことがわかった(図8(a)参照)。
【0021】
このことから、請求項1に記載の発明では、曲率半径(R)は、0.1mm以上1.0mm以下であることを特徴としている。この場合、実際に貴金属チップ(45)を接地電極(40)にレーザ溶接、曲率半径(R)を小さくしようとすると、溶融部(47)の溶け込み深さ(d)が十分でなくなる(図8(b)参照)。
【0022】
そこで、実験および解析を行った結果、請求項2に記載の発明のように、曲率半径(R)を、貴金属チップ(45)の接地電極(40)と接している断面の最大幅をDとして、D/4以上3D/4以下の範囲とすることが、上記請求項1の発明の効果を発揮しつつ貴金属チップの接合性を確保するためには好ましい。
【0023】
また、請求項3〜請求項6の発明は、上記請求項1または請求項2に記載の貴金属チップの具体的構成を提供するものである。請求項3に記載の発明では、Irを主成分としRh、Pt、Ni、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする。
【0024】
より具体的には、請求項4に記載の発明のように、貴金属チップ(45)は、Irを主成分とし、50重量%以下のRh、50重量%以下のPt、40重量%以下のNi、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であるものにすることができる。
【0025】
また、請求項5に記載の発明のように、貴金属チップ(45)は、貴金属チップ(45)は、Ptを主成分としIr、Ni、Rh、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加された合金であるものであっても良い。
【0026】
より具体的には、請求項6に記載の発明のように、貴金属チップ(45)は、Ptを主成分とし、50重量%以下のIr、40重量%以下のNi、50重量%以下のRh、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であるものにすることができる。
【0027】
上記した貴金属チップを採用することで、耐消耗性に優れた高融点組成を有する貴金属チップを実現することができ、将来の熱負荷の厳しいエンジンでも、十分に寿命を確保できる。そして、上記請求項1および請求項2の発明は、このような貴金属チップを採用した場合にも、適切に効果を発揮する。
【0028】
貴金属チップとして、このようなIr合金チップやPt合金チップを用いた場合、溶融部における貴金属チップの成分について解析した。その結果、請求項7に記載の発明のように、溶融部(47)における貴金属チップ(45)の成分が、35重量%以上80重量%以下であれば、溶融部に加わる熱応力を、基準となる上記中心電極側熱応力を越えないレベルに抑制できることがわかった。
【0029】
ここで言う溶融部における貴金属チップの成分比の定義は、以下のようである。溶融部内の任意の箇所において、50μm四方の領域を10箇所について成分分析を行い、その平均値とする。レーザ溶接では、実際は均一な成分比とはならず、多少ばらつきを持っているが、10箇所の平均値をとる方法によれば、全体を均一な組成とみなして良いことを、エンジン評価やベンチ評価で確認済みである。
【0032】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態に係るスパークプラグS1の全体構成を示す半断面図である。このスパークプラグS1は、自動車用エンジンの点火栓等に適用されるものであり、該エンジンの燃焼室を区画形成するエンジンヘッド(図示せず)に設けられたネジ穴に挿入されて固定されるようになっている。
【0034】
スパークプラグS1は、導電性の鉄鋼材料(例えば低炭素鋼等)等よりなる円筒形状の取付金具10を有しており、この取付金具10は、図示しないエンジンブロックに固定するための取付ネジ部11を備えている。取付金具10の内部には、アルミナセラミック(Al23)等からなる絶縁体20が固定されており、この絶縁体20の先端部21は、取付金具10の一端から露出するように設けられている。
【0035】
絶縁体20の軸孔22には中心電極30が固定されており、この中心電極30は取付金具10に対して絶縁保持されている。中心電極30は、例えば、内材がCu等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がNi基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体で、図1に示すように、その先端面31が絶縁体20の先端部21から露出するように設けられている。
【0036】
一方、接地電極40は、例えば、Niを主成分とするNi基合金からなる角柱より構成されており、根元端部42にて取付金具10の一端に溶接により固定され、途中で略L字に曲げられて、先端部41の側面(以下、先端部側面という)43において中心電極30の先端面31と放電ギャップ50を介して対向している。
【0037】
ここで、図2に、スパークプラグS1における放電ギャップ50近傍の拡大構成を示す。上記のように放電ギャップ50を介して中心電極30の先端面31と接地電極40の先端部側面43とが対向して配置されており、これら中心及び接地電極30、40における放電ギャップ50に面する部位31、43には、貴金属チップ35、45がレーザ溶接により接合されている。
【0038】
すなわち、中心電極30の先端面31には、貴金属チップ(以下、中心電極側チップという)35が、また、接地電極40の先端部側面43には、貴金属チップ(以下、接地電極側チップという)45が、それぞれ溶接されている。これら両チップは円柱状であり、その一端面側が各電極30、40にレーザ溶接されている。そして、放電ギャップ50は、両チップ35、45の先端部間の空隙であり、例えば0.7mm程度である。
【0039】
これら両チップ35、45は、Pt、Pt合金、Ir、Ir合金等の貴金属よりなるものを採用することができる。例えば、Irを主成分としRh、Pt、Ni、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加されたIr合金チップや、Ptを主成分としIr、Ni、Rh、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加されたPt合金チップとすることができる。
【0040】
より具体的に、上記Ir合金チップとしては、Irを主成分とし、50重量%以下のRh、50重量%以下のPt、40重量%以下のNi、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であるものにすることができる。
【0041】
また、上記Pt合金チップとしては、Ptを主成分とし、50重量%以下のIr、40重量%以下のNi、50重量%以下のRh、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であるものにすることができる。
【0042】
本例では、両チップ35、45として、Irを主成分としてRh、Pt、Ru、PdおよびWのうちすくなくとも1種が添加された耐消耗性に優れた高融点のIr合金チップを採用している。
【0043】
また、これら両チップ35、45のうち中心電極側チップ35と中心電極30との溶接構造は、上記した従来公報に記載の手法により形成されたものを採用することができる。その断面構成を図3に概略的に示す。
【0044】
図3に示す様に、溶融部37におけるチップ35の軸方向に沿った断面をみたとき、チップ35の側面35aと中心電極30の先端面(電極母材における貴金属チップの接合面)31とを結ぶ溶融部37の外面37aが直線状となっている。
【0045】
一方、接地電極側チップ45と接地電極40との溶接構造において、本実施形態では、次のような独自の構成を有している。図4は、接地電極40側の溶接構造の概略断面構成を示す図である。
【0046】
一端側が接地電極40の先端部側面43にレーザ溶接された接地電極側チップ45は、他端側の先端面の断面積が0.12mm2以上1.15mm2以下であって且つ接地電極40の先端部側面43からの突出長さLが0.3mm以上1.5mm以下である。本例では、上記断面積範囲に対応して、直径Dが0.4mm以上1.2mm以下の円柱形状をなしている。
【0047】
そして、接地電極40とチップ45とが溶け込み合った溶融部(溶融固着層)47において、チップ45の側面45aと接地電極40の先端部側面(接地電極におけるチップの接合面)43とを結ぶ外面47aが、曲率半径Rを有して凹んだ曲面形状となっている。
【0048】
このような曲率半径Rを有する接地電極40側の溶融部47形状は、次のようにして形成することができる。図5は、接地電極側チップ45と接地電極40との溶接方法を概略断面にて示す説明図である。まず、接地電極側チップ45の一端面45bを、接地電極40に埋没させることなく接地電極40の先端部側面(接地電極の表面)43に接触させる(図5(a)〜(c))。
【0049】
続いて、当該先端部側面43から外方へ延びるチップ45の側面45aと当該先端部側面43とがなす角部49に対して、これらチップ45の側面45a及び当該先端部側面43とは斜めの方向(図中の白矢印方向)から、レーザ照射を行い、チップ45と接地電極40とを溶融させ、溶融部47を形成する(図5(d)、(e))。
【0050】
こうして、図4に示す溶融部47を介した接地電極側チップ45と接地電極40との溶接構造が適切に形成される。なお、例えば、この後、取付金具10に対して接地電極40を溶接固定し、絶縁体20にて被覆された中心電極30を取付金具10内に設置し、接地電極40を変形させる等により放電ギャップ50を形成することにより、図1に示すスパークプラグS1が製造される。
【0051】
次に、上記接地電極側チップ45におけるレーザ溶接された他端側の先端面の断面積が、0.12mm2以上1.15mm2以下であって且つ上記突出長さLが0.3mm以上1.5mm以下とした根拠について述べる。
【0052】
貴金属チップは、その径が細いほど、また、接地電極からの突出長さが長いほど、放電ギャップにて発生する火炎核の成長を阻害しにくいと考えられる。そのため、火炎核の成長を阻害せずに良好な着火性を確保可能な貴金属チップの直径および接地電極からの突出長さについて、次のような判定試験を行った。
【0053】
上記D、Lを種々変えたスパークプラグS1をエンジンに取り付け、判定方法は、アイドリング状態にある空燃比にて、空燃比を大きくしていき、2分間に点火ミスが2回以上発生する空燃比を限界値(着火限界空燃比)とした。評価エンジンは4気筒1.6リットル、エンジン回転数650rpmで実施した。
【0054】
なお、限定するものではないが、この判定試験における中心電極側チップ35としては、例えば、直径D’が0.4mm、中心電極30の先端面31からの突出長さL’が0.6mmである円柱体(図3参照)を用い、放電ギャップ50は0.7mmとした。
【0055】
この試験結果を図6に示す。着火限界空燃比は大きい方がそれだけ希薄燃焼可能であり、着火性が良くなることを意味する。図6からわかるように、接地電極側チップ45の直径Dが細くなるほど着火性は向上しているが、直径Dが1.3mmに太くなると大幅に着火性が低下している。
【0056】
また、接地電極側チップ45の突出長さLが大きいほど着火性は向上しているが、その向上の度合は0.3mm以上で略飽和している。従って、図6から、良好な着火性を確保可能な接地電極側チップ45としては、直径Dが1.2mm以下(上記断面積が1.15mm2以下に相当)であって接地電極からの突出長さLが0.3mm以上であることが必要なことがわかる。
【0057】
また、耐熱性・耐消耗性に優れた貴金属よりなる接地電極側チップ45といえども、上記直径Dが0.4mm(上記断面積が0.12mm2に相当)より細いと火花が集中して消耗性が悪化する。また、接地電極40からの突出長さLが1.5mmよりも長いと、チップ45の先端の温度が大きく上昇しチップ45が溶融しやすくなってしまう。
【0058】
これらのことから、本実施形態では、接地電極側チップ45を、レーザ溶接された他端側の先端面の断面積が0.12mm2以上1.15mm2以下(本例では直径Dが0.4mm以上1.2mm以下)であって且つ上記突出長さLが0.3mm以上1.5mm以下であるものとしている。それによって、適切に着火性を確保することができる。
【0059】
次に、接地電極40とチップ45とが溶け込み合った溶融部47において、チップ45の側面45aと接地電極40の先端部側面43とを結ぶ外面47aを、曲率半径Rを有して凹んだ曲面形状とした根拠について述べる。
【0060】
上記従来公報に記載の手法により、接地電極側チップと接地電極とをレーザ溶接した場合、その溶接構造は上記図3に示した中心電極30の場合と同様の構造となる。
【0061】
つまり、図7に示す様に、接地電極40においても、チップ45の側面45aと接地電極40の先端部側面43とを結ぶ溶融部47の外面47aが直線状となる。この場合、中心電極30よりも使用時の温度が高くなる接地電極40においては、接地電極40とチップ45との接合性は実用レベルを満足せず、使用時において接合部から剥離が生じ、最悪チップ45が脱落してしまう可能性が大きい。
【0062】
このような溶融部形状に対して、接地電極40側の溶融部47の形状を、上述した曲率半径Rを有して凹んだ曲面形状をなすものとすれば、当該溶融部47において接合に要する容積を確保しつつ、当該溶融部47をできるだけ細いものにできる。
【0063】
また、図7に示す様な従来形状では、チップ45と溶融部47との界面および溶融部47と接地電極40の先端部側面43との界面で、屈曲点が存在し、その箇所で強い熱応力が発生する。それに対して、図4に示す様に、溶融部47の外面47aを、上記曲面形状とすることにより、チップ47から溶融部47、接地電極40に渡る面が、なめらかな曲線で構成されるため、そのような応力集中が回避されると考えられる。
【0064】
従って、本実施形態によれば、当該溶融部47に発生する熱応力を小さくし、接地電極40とチップ45との接合性を向上させることができると言える。
【0065】
ここで、接地電極40側の溶融部47に発生する熱応力を、どの程度まで小さくするかという基準としては、例えば、上記従来手法によるレーザ溶接構造を中心電極に適用した構造にて発生する熱応力、すなわち、本実施形態のスパークプラグS1における中心電極30側の溶融部37に発生する熱応力(中心電極側熱応力)を採用することができる。
【0066】
これは、本スパークプラグS1においては、中心電極30側では、電極とチップとの接合性を実用レベルにて確保できているためである。そして、接地電極40側の溶融部47において、曲率半径Rを変えていったときの当該溶融部47に発生する熱応力(接地電極側熱応力)について、上記中心電極側熱応力を基準としてFEM(有限要素法)解析を行った。
【0067】
この溶融部の熱応力解析の結果を図8(a)に示す。ここで、中心電極側及び接地電極側の熱応力を求める場合、チップの直径D、D’を1.2mm、突出長さL、L’を1.0mmとし、溶融部37、47のチップ成分は35重量%とした。これは、接合性の点から最も厳しい仕様である。また、熱応力の発生部位としては、溶融部37、47における電極30、40寄りの部位とした。
【0068】
図8(a)では、曲率半径Rを変えていったときの接地電極側熱応力が、中心電極側熱応力レベルを1と規格化した値である応力レベル比として示されている。また、図8(a)中の「従来形状」は、上記図7に示す形状であり、中心電極30側の溶融部35と同一の溶融部形状であるにもかかわらず、発生する熱応力が大きい。これは、使用時において、接地電極40の温度(例えば900℃)が、中心電極30の温度(例えば800℃)よりも高いためである。
【0069】
そして、図8(a)において、応力レベル比が1以下となるような曲率半径Rであれば、接地電極40と接地電極側チップ45との接合性は、従来の溶融部形状に比して向上しており、実用レベルを確保できるといえる。つまり、接地電極40側の溶融部47における曲率半径Rは、0.1mm以上1.0mm以下が好ましい。
【0070】
なお、図8(a)によれば、当該曲率半径Rが0.1mmより小であるか、1.0mmより大であると、接地電極側熱応力が、中心電極側熱応力のレベルを超えている。これは、曲率半径Rが0.1mmより小であると溶融部形状が急峻となり熱応力が集中しやすく、また、曲率半径Rが1.0mmより大であると曲率半径Rが大きすぎて従来の溶融部形状との相違が小さくなり、曲率半径Rを付けたことのメリットが無くなるためと考えられる。
【0071】
以上のことから、本実施形態では、接地電極40側において、接地電極側チップ45の側面45aと接地電極40の先端部側面43とを結ぶ溶融部47の外面47aを、曲率半径Rを有して凹んだ曲面形状としている。そして、曲率半径Rは、0.1mm以上1.0mm以下が好ましい。
【0072】
さらに、図8(b)は、接地電極側チップ45の接地電極40と接している断面を示す図であるが、実際に、接地電極側チップ45を接地電極40にレーザ溶接する場合、曲率半径Rを小さくしようとすると、溶融部47の溶け込み深さdが十分でなくなる。
【0073】
接地電極側チップ45と接地電極40との接合性を確保するという点から、溶融部の溶け込み深さdは、D/4以上必要であることが実験的に確認されている。ここで、Dは、図8(b)に示すように、接地電極側チップ45の接地電極40と接している断面の最大幅であるが、本例では、円柱状である接地電極側チップ45の直径に相当する。
【0074】
しかし、溶け込み深さdを大きくしようとすると、溶接エネルギーが大きくなるため、図8(b)に示すナゲット幅Wが大きくなる。すると、曲率半径Rも大きくなってしまい、曲率半径Rを付けたことのメリットが小さくなる。一方、曲率半径Rを小さくしようとすると、ナゲット幅Wも小さくなり、上記溶け込み深さdも小さくなってしまい、接合性確保が困難になる。
【0075】
そこで、最低限必要な溶け込み深さdの値、すなわちd=D/4となるときの曲率半径Rが、接合性を確保するための下限値となる。本例の接地電極側チップ45のDは0.4mm以上1.2mm以下であるが、この範囲のDについてd=D/4となるときの曲率半径Rを実験的に求めると、R=D/4(D×1/4)となる。
【0076】
また、FEM解析の結果から、曲率半径Rを付けたことのメリットを発揮するためには、上記Dは3D/4(D×3/4)以下であることが好ましい。よって、上記曲率半径Rによる効果を発揮しつつ貴金属チップの接合性を確保するためには、接地電極側チップ45の接地電極40と接している断面の最大幅をDとして、D/4以上3D/4以下の範囲とすることが好ましい。
【0077】
また、本実施形態においては、接地電極側チップ45として、上記したPt、Pt合金、Ir、Ir合金等のチップを採用しているが、この場合、溶融部47におけるチップ45の成分が、35重量%以上80重量%以下であることが好ましい。
【0078】
このことは、次に述べる検討結果を根拠とするものである。溶融部47は、接地電極側チップ45と接地電極(Ni基合金)40とが溶け込みあったものであるが故、その溶融組成によっても、接合性が変わってくる。そこで、溶融部47における接地電極側チップ45の成分と熱応力との関係についてFEM解析を実施した。
【0079】
この解析結果の一例を図9に示す。図9は、接地電極側チップ45として上記Ir合金チップを採用した例であり、溶融部47中のIr合金成分比(重量%)と、上記応力レベル比(中心電極側熱応力を1としたときの接地電極側熱応力の値)との関係を示している。また、接地電極側熱応力は、上記図4中の溶融部47におけるa点(チップと溶融部との界面部)、b点(溶融部と接地電極との界面部)を求め、図9中、a点を黒丸プロット、b点を白丸プロットとして示してある。
【0080】
ここで、図9においても、中心電極側熱応力を基準としているが、この場合、両チップ35、45の直径D、D’及び、突出長さL、L’は同一寸法とした。また、中心電極30側の溶融部37のチップ成分は、中心電極30側において実用レベルの接合性を満足する下限値(本例では35重量%)とした。また、両チップ35、45の材質は、限定するものではないが、本例ではIrが90重量%、Rh10重量%のものとした。
【0081】
図9から、a点(チップと溶融部との界面部)側の熱応力を、基準となる中心電極側熱応力以下とするためには、35重量%以上が好ましく、また、b点(溶融部と接地電極との界面部)側の熱応力を、基準となる中心電極側熱応力以下とするためには、80重量%以下が好ましいことがわかる。
【0082】
なお、接地電極側チップ45は、接地電極40よりも放電ギャップ50側へ突き出ており、接地電極(電極母材)40よりも温度が高くなるため、チップ45と溶融部47との界面の方が、溶融部47と接地電極40との界面よりも、発生する熱応力が大きくなる。そのため、溶融部47のチップ成分比を調整するにあたっては、チップ45寄りの部位を中心に調整することが好ましいと考えられる。
【0083】
以上述べてきたように、本実施形態によれば、上記のように、接地電極側チップ45における寸法D、Lおよび溶融部47の形状が規定されたレーザ溶接構造を採用することにより、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させたスパークプラグを提供することができる。
【0084】
また、本実施形態によれば、上記図5に示した製造方法によって、本実施形態のレーザ溶接構造を適切に製造することができる。また、本製造方法によれば、上記従来公報に記載されているような、電極母材を加工して細径部を形成したり、電極母材に貴金属チップを埋め込んだりするといった手間がかからないので、簡便な製造方法とすることができる。
【0085】
(他の実施形態)
なお、本発明は、図10に示すような、中心電極30と火花ギャップすなわち放電ギャップ50を形成する主接地電極40に加え、絶縁体20の先端部21に対向している副接地電極40aを有するスパークプラグに対しても適用することができる。ここで、図10において、(a)は主接地電極40の側面方向から火花放電部を見た図であり、(b)は(a)のA矢視図である。
【0086】
図10に示すスパークプラグにおいて、主接地電極40およびこれにレーザ溶接された貴金属チップ45に対して、上記実施形態と同様の構成を採用すれば、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させるとともに、耐カーボン汚損性も確保したスパークプラグを提供することができる。
【0087】
また、上記実施形態における接地電極40の母材として、インコネル600(登録商標)などのNi基合金にAlを1.5重量%以上添加したものを用いると、高着火性を有し、かつ耐熱耐酸化性に優れたスパークプラグを提供することができる。
【0088】
また、耐熱耐酸化性を向上させるためには、図11(a)に示すように、内部に良熱伝導材としてのCu材40bを有し、このCu材40bをNi基合金からなる被覆材40cにて被覆してなる接地電極40としても良い。さらには、図11(b)に示すように、良熱伝導材を、Ni材40dを芯材としてCu材40bにて被覆した2層構造とし、これを被覆材40cにて被覆してなる接地電極40としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るスパークプラグの全体構成を示す半断面図である。
【図2】図1に示すスパークプラグにおける放電ギャップ近傍の拡大構成図である。
【図3】図1に示すスパークプラグにおける中心電極側のチップ溶接構造を示す概略断面図である。
【図4】図1に示すスパークプラグにおける接地電極側のチップ溶接構造を示す概略断面図である。
【図5】接地電極側チップと接地電極との溶接方法を示す説明図である。
【図6】接地電極側チップの形状と着火性との関係についての解析結果を示す図である。
【図7】接地電極側のチップ溶接構造における従来形状を示す概略断面図である。
【図8】(a)は、曲率半径Rを変えていったときの溶融部に発生する熱応力について
の解析結果を示す図であり、(b)は、溶融部の溶け込み深さdとナゲット幅W
を表すために、貴金属チップの接地電極と接している断面を示す図である。
【図9】溶融部におけるIr合金チップの成分と熱応力との関係についての解析結果を
示す図である。
【図10】主接地電極と副接地電極とを備えた本発明の他の実施形態としてのスパークプ
ラグの要部を示す図である。
【図11】複数の層構造からなる接地電極を備えた本発明の他の実施形態としてのスパー
クプラグの要部を示す概略断面図である。
【符号の説明】
30…中心電極、40…接地電極、43…接地電極の先端部側面、
45…接地電極側チップ、45a…接地電極側チップの側面、
45b…接地電極側チップの一端面、47…接地電極側の溶融部、
47a…接地電極側チップの側面と接地電極の先端部側面とを結ぶ溶融部の外面、50…放電ギャップ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spark plug in which a center electrode and a ground electrode are arranged to face each other via a discharge gap, and a noble metal tip is laser-welded to a portion of the ground electrode facing the discharge gap, and a method for manufacturing the spark plug.
[0002]
[Prior art]
This type of spark plug is used as an ignition plug for an internal combustion engine, but from the viewpoint of exhaust purification and lean combustion, wear resistance such as Pt (platinum) alloy or Ir (iridium) alloy on the electrode surface facing the discharge gap. A noble metal tip made of an excellent noble metal is provided, thereby improving ignitability and durability.
[0003]
Here, as a measure for improving the bondability between the electrode base material and the noble metal tip, conventionally, there has been a technique using laser welding as described in JP-A-11-233233 and JP-A-9-106880. Proposed.
[0004]
In the former publication, the tip of the electrode base material is thinned, and a noble metal tip is laser welded to the thinned portion. In the latter publication, a noble metal tip is embedded in the electrode base material and an electrode is placed around the tip. A raised portion of the base material is formed, and this raised portion and the tip are laser welded.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the study by the present inventors, when the technique described in the above-mentioned conventional publication is used, in the joining between the center electrode and the noble metal tip, it is possible to ensure a practical level of connectivity, but the ground electrode and the noble metal tip. It was found that in the joining, peeling occurred from the joining portion and the worst chip dropped off.
[0006]
This is because the ground electrode protrudes into the combustion chamber as compared with the center electrode in the form of attachment of the spark plug to the internal combustion engine, whereby the ground electrode has a higher electrode temperature than the center electrode, This is because the thermal stress generated between the noble metal tip and the electrode base material, that is, in the melted portion, is increased.
[0007]
For this reason, when laser welding the noble metal tip to the ground electrode, it is necessary to make the bondability better than the conventional method described above. However, in order to improve the bondability between the noble metal tip and the ground electrode, it is necessary to consider not only the bondability but also the ignitability.
[0008]
Therefore, in view of the above problems, the present invention aims to improve the bondability between the ground electrode and the noble metal tip while appropriately ensuring the ignitability in the spark plug formed by laser welding the noble metal tip to the ground electrode. To do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have conducted intensive studies on ensuring the above ignitability and improving the bondability. First, with regard to ignitability, focusing on the fact that the precious metal tip has a smaller diameter and a longer protrusion length from the ground electrode, the more difficult it is to inhibit the growth of flame nuclei generated in the discharge gap. An experimental study was conducted on the diameter of the noble metal tip and the protruding length from the ground electrode, which can ensure good ignitability without hindering the growth of the nucleus.
[0010]
In addition, regarding the bondability between the ground electrode and the noble metal tip, when the laser welding structure of the noble metal tip according to the conventional method described above is applied to the center electrode, the thermal stress generated at the melted portion between the center electrode and the tip (on the center electrode side) The thermal stress was considered as a standard. This is because, as described above, if the level of the central electrode side thermal stress generated by the conventional method is used, the bondability between the electrode base material and the chip at a practical level can be secured.
[0011]
If the laser welding structure between the ground electrode and the tip is realized so that the thermal stress of the melted portion (ground electrode side thermal stress) in the laser welding structure between the ground electrode and the tip does not exceed the center electrode side thermal stress. I thought that the above-mentioned purpose could be achieved.
[0012]
Here, in the spark plug of the above-mentioned conventional publication, when the cross section along the axial direction of the tip in the melted portion is viewed, the outer surface of the melted portion connecting the side surface of the noble metal tip and the joint surface of the noble metal tip in the electrode base material is a straight line. (See FIG. 3). If the melted part is made thinner than such a melted part shape, the thermal stress generated in the melted part can be reduced and the bondability between the ground electrode and the noble metal tip can be improved. Thought.
[0013]
The present invention has been made on the basis of the above-described studies on ensuring ignitability and improving bondability.
[0014]
That is, in the invention described in claim 1, the noble metal tip (45) is laser-welded at one end to the ground electrode (40), and the cross-sectional area of the tip surface at the other end is 0.12 mm. 2 1.15mm above 2 The protrusion length (L) from the ground electrode is not less than 0.3 mm and not more than 1.5 mm, and in the melting part (47) where the ground electrode and the noble metal tip are melted together, the side surface (45a) of the noble metal tip and An outer surface (47a) connecting the joint surface (43) of the noble metal tip in the ground electrode, It is a concave curved shape and has a radius of curvature (R) of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less. It is characterized by that.
[0015]
As a result of an experimental study on the relationship between the above-described ignitability, the diameter of the noble metal tip and the protruding length from the ground electrode, the cross-sectional area of the laser-welded tip surface on the other end side is 1.15 mm. 2 It has been confirmed experimentally that a good ignitability can be secured without hindering the growth of the flame kernel if the noble metal tip has a protrusion length (L) from the ground electrode of 0.3 mm or more.
[0016]
On the other hand, in the noble metal tip, the cross-sectional area is 0.12 mm. 2 If it is thinner, the sparks are concentrated and the wearability is deteriorated, and if the protrusion length from the ground electrode is longer than 1.5 mm, the temperature at the tip of the chip is greatly increased and it becomes easy to melt. Therefore, if the noble metal tip has a cross-sectional area and a protruding length from the ground electrode as in the present invention, the ignitability can be appropriately ensured.
[0017]
Further, as a result of studying the shape of the melted portion in order to reduce the thermal stress generated in the melted portion, the side surface (45a) of the noble metal tip (45) and the joint surface (43) of the noble metal tip in the ground electrode (40) are connected. If the outer surface (47a) of the melted part (47) has a curved surface shape with a radius of curvature (R), the melted part is as thin as possible while securing the volume required for joining in the melted part. I thought it was possible.
[0018]
And when it actually analyzed about the fusion | melting part which makes the said shape, it has confirmed that the thermal stress which generate | occur | produces in the said fusion | melting part can be suppressed below to the central electrode side thermal stress which generate | occur | produces by the conventional method.
[0019]
Therefore, according to the present invention made on the basis of the above examination results, it is possible to provide a spark plug in which the joining property between the ground electrode and the noble metal tip is improved while appropriately ensuring the ignitability.
[0020]
Furthermore, when the curvature radius (R) in the melted part (47) according to claim 1 is analyzed based on the center electrode side thermal stress generated by the conventional method, the curvature radius is smaller than 0.1 mm. It was also found that if it is larger than 1.0 mm, the thermal stress applied to the melted part tends to exceed the level of the central electrode side thermal stress (see FIG. 8A).
[0021]
From this, The invention according to claim 1 is characterized in that the radius of curvature (R) is not less than 0.1 mm and not more than 1.0 mm. in this case, Laser welding of precious metal tip (45) to ground electrode (40) Shi When trying to reduce the radius of curvature (R), the penetration depth (d) of the melting part (47) becomes insufficient (see FIG. 8B).
[0022]
Therefore, as a result of experiments and analysis, the radius of curvature (R) is set to D as the maximum width of the cross section in contact with the ground electrode (40) of the noble metal tip (45) as in the invention described in claim 2. In order to ensure the bondability of the noble metal tip while exhibiting the effect of the first aspect of the invention, it is preferable that the range is D / 4 or more and 3D / 4 or less.
[0023]
The inventions according to claims 3 to 6 provide a specific configuration of the noble metal tip according to claim 1 or claim 2. The invention described in claim 3 is an alloy containing Ir as a main component and at least one of Rh, Pt, Ni, W, Pd, Ru, and Os added thereto.
[0024]
More specifically, as in the invention described in claim 4, the noble metal tip (45) is mainly composed of Ir, 50% by weight Rh, 50% by weight Pt, 40% by weight Ni or less. , 30 wt% or less of W, 40 wt% or less of Pd, 30 wt% or less of Ru, and 20 wt% or less of Os.
[0025]
Further, as in the invention described in claim 5, the noble metal tip (45) is such that the noble metal tip (45) contains Pt as a main component and at least one of Ir, Ni, Rh, W, Pd, Ru, and Os is added. It may be an alloy that has been made.
[0026]
More specifically, as in the invention described in claim 6, the noble metal tip (45) is mainly composed of Pt, 50 wt% or less of Ir, 40 wt% or less of Ni, and 50 wt% or less of Rh. , 30 wt% or less of W, 40 wt% or less of Pd, 30 wt% or less of Ru, and 20 wt% or less of Os.
[0027]
By employing the above-described noble metal tip, a noble metal tip having a high melting point composition with excellent wear resistance can be realized, and a sufficient life can be secured even in an engine with a severe heat load in the future. Further, the inventions of the first and second aspects of the invention appropriately exhibit effects even when such a noble metal tip is employed.
[0028]
When such an Ir alloy tip or a Pt alloy tip was used as the noble metal tip, the components of the noble metal tip in the melting part were analyzed. As a result, as in the invention described in claim 7, if the component of the noble metal tip (45) in the melted part (47) is 35 wt% or more and 80 wt% or less, the thermal stress applied to the melted part is determined as a reference. It was found that the above-mentioned center electrode side thermal stress can be suppressed to a level not exceeding.
[0029]
The definition of the component ratio of the noble metal tip in the molten part here is as follows. Component analysis is performed on 10 areas of a 50 μm square area at an arbitrary position in the melting portion, and the average value is obtained. In laser welding, the component ratio is not actually uniform and varies somewhat. However, according to the method of taking the average value at 10 locations, the entire composition can be regarded as a uniform composition. Confirmed by evaluation.
[0032]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 is a half sectional view showing the overall configuration of a spark plug S1 according to an embodiment of the present invention. This spark plug S1 is applied to a spark plug of an automobile engine, and is inserted and fixed in a screw hole provided in an engine head (not shown) that defines a combustion chamber of the engine. It is like that.
[0034]
The spark plug S1 has a cylindrical mounting bracket 10 made of a conductive steel material (eg, low carbon steel), and the mounting bracket 10 is a mounting screw portion for fixing to an engine block (not shown). 11 is provided. The mounting bracket 10 has an alumina ceramic (Al 2 O Three ) Or the like is fixed, and a tip portion 21 of the insulator 20 is provided so as to be exposed from one end of the mounting bracket 10.
[0035]
A center electrode 30 is fixed to the shaft hole 22 of the insulator 20, and the center electrode 30 is insulated and held with respect to the mounting bracket 10. The center electrode 30 is, for example, a cylindrical body made of a metal material having excellent heat conductivity such as Cu as an inner material and a metal material having excellent heat resistance and corrosion resistance such as a Ni-based alloy as shown in FIG. Thus, the tip surface 31 is provided so as to be exposed from the tip portion 21 of the insulator 20.
[0036]
On the other hand, the ground electrode 40 is composed of, for example, a prism made of a Ni-based alloy containing Ni as a main component. The ground electrode 40 is fixed to one end of the mounting bracket 10 at the root end portion 42 by welding, and is substantially L-shaped in the middle. It is bent and faces the front end surface 31 of the center electrode 30 via the discharge gap 50 on the side surface 43 (hereinafter referred to as the front end portion side surface) 43 of the front end portion 41.
[0037]
Here, FIG. 2 shows an enlarged configuration near the discharge gap 50 in the spark plug S1. As described above, the distal end surface 31 of the center electrode 30 and the distal end side surface 43 of the ground electrode 40 are arranged to face each other via the discharge gap 50, and the discharge gap 50 at the center and the ground electrodes 30, 40 faces the discharge gap 50. Noble metal tips 35 and 45 are joined to the portions 31 and 43 to be welded by laser welding.
[0038]
That is, a noble metal tip (hereinafter referred to as a center electrode side tip) 35 is provided on the distal end surface 31 of the center electrode 30, and a noble metal tip (hereinafter referred to as a ground electrode side tip) is provided on the distal end side surface 43 of the ground electrode 40. 45 are each welded. Both of these tips are cylindrical, and one end face side thereof is laser welded to the electrodes 30 and 40. And the discharge gap 50 is a space | gap between the front-end | tip parts of both the chips | tips 35 and 45, for example, is about 0.7 mm.
[0039]
These chips 35 and 45 may be made of a noble metal such as Pt, Pt alloy, Ir, or Ir alloy. For example, an Ir alloy chip containing Ir as a main component and at least one of Rh, Pt, Ni, W, Pd, Ru, Os added, or Ir, Ni, Rh, W, Pd, Ru, Os containing Pt as a main component. A Pt alloy chip to which at least one of the above is added can be obtained.
[0040]
More specifically, the Ir alloy chip includes Ir as a main component, 50% by weight Rh, 50% by weight Pt, 40% by weight Ni, 30% by weight W, 40% by weight or less. Pd, 30 wt% or less of Ru, and 20 wt% or less of Os can be added to the alloy.
[0041]
The Pt alloy chip includes Pt as a main component, 50 wt% or less of Ir, 40 wt% or less of Ni, 50 wt% or less of Rh, 30 wt% or less of W, 40 wt% or less of Pd, It may be an alloy to which at least one of 30 wt% or less of Ru and 20 wt% or less of Os is added.
[0042]
In this example, as both chips 35 and 45, Ir alloy chips having a high melting point and excellent in wear resistance to which at least one of Rh, Pt, Ru, Pd and W is added with Ir as a main component are adopted. Yes.
[0043]
Moreover, the welding structure of the center electrode side chip | tip 35 and the center electrode 30 among these both chips | tips 35 and 45 can employ | adopt what was formed by the method as described in the above-mentioned conventional gazette. The cross-sectional configuration is schematically shown in FIG.
[0044]
As shown in FIG. 3, when the cross section along the axial direction of the tip 35 in the melting part 37 is viewed, the side surface 35a of the tip 35 and the tip surface of the center electrode 30 (joint surface of the noble metal tip in the electrode base material) 31 are formed. The outer surface 37a of the fusion | melting part 37 to connect is linear.
[0045]
On the other hand, the welding structure of the ground electrode side tip 45 and the ground electrode 40 has the following unique configuration in the present embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration of the welding structure on the ground electrode 40 side.
[0046]
The ground electrode side tip 45 whose one end side is laser welded to the side surface 43 of the tip end portion of the ground electrode 40 has a cross-sectional area of 0.12 mm at the tip end surface on the other end side. 2 1.15mm above 2 The protrusion length L from the tip end side surface 43 of the ground electrode 40 is not less than 0.3 mm and not more than 1.5 mm. In this example, a cylindrical shape having a diameter D of 0.4 mm or more and 1.2 mm or less is formed corresponding to the cross-sectional area range.
[0047]
The outer surface connecting the side surface 45a of the tip 45 and the side surface of the tip portion of the ground electrode 40 (joint surface of the tip of the ground electrode) 43 in the melted portion (melted and fixed layer) 47 in which the ground electrode 40 and the tip 45 are melted together. 47a has a curved surface shape that has a radius of curvature R and is recessed.
[0048]
The shape of the melted portion 47 on the ground electrode 40 side having such a curvature radius R can be formed as follows. FIG. 5 is an explanatory view showing the welding method of the ground electrode side tip 45 and the ground electrode 40 in a schematic cross section. First, the one end surface 45b of the ground electrode side chip 45 is brought into contact with the tip end side surface (surface of the ground electrode) 43 without being buried in the ground electrode 40 (FIGS. 5A to 5C).
[0049]
Subsequently, the side surface 45a of the tip 45 and the tip portion side surface 43 are oblique with respect to the corner portion 49 formed by the side surface 45a of the tip 45 extending outward from the tip portion side surface 43 and the tip portion side surface 43. Laser irradiation is performed from the direction (the direction of the white arrow in the figure) to melt the chip 45 and the ground electrode 40, thereby forming the melted portion 47 (FIGS. 5D and 5E).
[0050]
In this way, a welded structure between the ground electrode side tip 45 and the ground electrode 40 through the melting portion 47 shown in FIG. 4 is appropriately formed. For example, after that, the ground electrode 40 is fixed by welding to the mounting bracket 10, the center electrode 30 covered with the insulator 20 is installed in the mounting bracket 10, and the ground electrode 40 is deformed to discharge. By forming the gap 50, the spark plug S1 shown in FIG. 1 is manufactured.
[0051]
Next, the cross-sectional area of the tip surface on the other end side laser-welded in the ground electrode side tip 45 is 0.12 mm. 2 1.15mm above 2 Hereinafter, the grounds for setting the protrusion length L to 0.3 mm or more and 1.5 mm or less will be described.
[0052]
It is considered that the noble metal tip is less likely to inhibit the growth of flame nuclei generated in the discharge gap as the diameter thereof is thinner and the protrusion length from the ground electrode is longer. Therefore, the following judgment test was performed on the diameter of the noble metal tip and the protruding length from the ground electrode that can ensure good ignitability without inhibiting the growth of the flame kernel.
[0053]
The spark plug S1 with various D and L changes is attached to the engine, and the determination method is to increase the air-fuel ratio at the idling air-fuel ratio and to generate an ignition error twice or more in 2 minutes. Was defined as a limit value (ignition limit air-fuel ratio). The evaluation engine was a 4-cylinder 1.6 liter engine with an engine speed of 650 rpm.
[0054]
Although not limited, as the center electrode side chip 35 in this determination test, for example, the diameter D ′ is 0.4 mm, and the protruding length L ′ from the tip surface 31 of the center electrode 30 is 0.6 mm. A certain cylindrical body (see FIG. 3) was used, and the discharge gap 50 was 0.7 mm.
[0055]
The test results are shown in FIG. A larger ignition limit air-fuel ratio means that more lean combustion is possible and ignitability is improved. As can be seen from FIG. 6, the ignitability is improved as the diameter D of the ground electrode side tip 45 is reduced, but the ignitability is significantly reduced when the diameter D is increased to 1.3 mm.
[0056]
In addition, the ignitability is improved as the protruding length L of the ground electrode side chip 45 is increased, but the degree of improvement is approximately 0.3 mm or more and is substantially saturated. Therefore, from FIG. 6, as the ground electrode side chip 45 capable of ensuring good ignitability, the diameter D is 1.2 mm or less (the cross-sectional area is 1.15 mm). 2 It is understood that the protrusion length L from the ground electrode is required to be 0.3 mm or more.
[0057]
Moreover, even with the ground electrode side tip 45 made of a noble metal having excellent heat resistance and wear resistance, the diameter D is 0.4 mm (the cross-sectional area is 0.12 mm). 2 If it is thinner, sparks concentrate and the wearability deteriorates. On the other hand, if the protruding length L from the ground electrode 40 is longer than 1.5 mm, the temperature at the tip of the tip 45 rises greatly and the tip 45 is likely to melt.
[0058]
For these reasons, in the present embodiment, the ground electrode side tip 45 has a cross-sectional area of the tip end surface on the other end side, which is laser-welded, of 0.12 mm. 2 1.15mm above 2 It is assumed that the diameter D is 0.4 mm or more and 1.2 mm or less in this example, and the protruding length L is 0.3 mm or more and 1.5 mm or less. Thereby, ignitability can be ensured appropriately.
[0059]
Next, in the melted portion 47 where the ground electrode 40 and the tip 45 are melted together, the outer surface 47a connecting the side surface 45a of the tip 45 and the tip end side surface 43 of the ground electrode 40 is recessed with a radius of curvature R. The basis for the shape will be described.
[0060]
When the ground electrode side tip and the ground electrode are laser welded by the method described in the above-mentioned conventional publication, the welded structure is the same as that of the center electrode 30 shown in FIG.
[0061]
That is, as shown in FIG. 7, also in the ground electrode 40, the outer surface 47 a of the melting portion 47 connecting the side surface 45 a of the chip 45 and the tip end side surface 43 of the ground electrode 40 is linear. In this case, in the ground electrode 40 in which the temperature at the time of use is higher than that of the center electrode 30, the bondability between the ground electrode 40 and the chip 45 does not satisfy the practical level, and peeling occurs from the joint at the time of use. There is a high possibility that the chip 45 will fall off.
[0062]
If the shape of the melted portion 47 on the ground electrode 40 side is a curved shape having a radius of curvature R as described above with respect to such a melted portion shape, joining at the melted portion 47 is required. The melting part 47 can be made as thin as possible while securing the volume.
[0063]
Further, in the conventional shape as shown in FIG. 7, bending points exist at the interface between the tip 45 and the melting part 47 and at the interface between the melting part 47 and the tip side surface 43 of the ground electrode 40, and strong heat is generated at that point. Stress is generated. On the other hand, as shown in FIG. 4, since the outer surface 47a of the melting portion 47 has the curved surface, the surface extending from the tip 47 to the melting portion 47 and the ground electrode 40 is configured with a smooth curve. Such stress concentration is considered to be avoided.
[0064]
Therefore, according to the present embodiment, it can be said that the thermal stress generated in the melting portion 47 can be reduced, and the bondability between the ground electrode 40 and the chip 45 can be improved.
[0065]
Here, as a standard of how much the thermal stress generated in the melted portion 47 on the ground electrode 40 side is reduced, for example, heat generated in a structure in which the laser welding structure according to the above-described conventional method is applied to the center electrode. The stress, that is, the thermal stress (center electrode side thermal stress) generated in the melting portion 37 on the center electrode 30 side in the spark plug S1 of the present embodiment can be employed.
[0066]
This is because, in the spark plug S1, the bondability between the electrode and the chip can be ensured at a practical level on the center electrode 30 side. Then, regarding the thermal stress (ground electrode side thermal stress) generated in the melted portion 47 when the radius of curvature R is changed in the melted portion 47 on the ground electrode 40 side, FEM based on the central electrode side thermal stress as a reference. (Finite element method) analysis was performed.
[0067]
The result of thermal stress analysis of this melted part is shown in FIG. Here, when obtaining the thermal stresses on the center electrode side and the ground electrode side, the tip diameters D and D ′ are 1.2 mm, the protruding lengths L and L ′ are 1.0 mm, and the tip components of the melting portions 37 and 47 are set. Was 35% by weight. This is the strictest specification in terms of bondability. Further, the site where the thermal stress was generated was a site near the electrodes 30 and 40 in the melted portions 37 and 47.
[0068]
In FIG. 8A, the ground electrode side thermal stress when the radius of curvature R is changed is shown as a stress level ratio which is a value obtained by normalizing the center electrode side thermal stress level to 1. In addition, the “conventional shape” in FIG. 8A is the shape shown in FIG. 7, and the generated thermal stress is the same as the melted part shape of the melted part 35 on the center electrode 30 side. large. This is because the temperature of the ground electrode 40 (for example, 900 ° C.) is higher than the temperature of the center electrode 30 (for example, 800 ° C.) during use.
[0069]
In FIG. 8A, if the radius of curvature R is such that the stress level ratio is 1 or less, the bondability between the ground electrode 40 and the ground electrode side tip 45 is higher than that of the conventional melted part shape. It can be said that the level of practical use has been improved. That is, the radius of curvature R in the melted portion 47 on the ground electrode 40 side is preferably 0.1 mm or greater and 1.0 mm or less.
[0070]
According to FIG. 8A, when the curvature radius R is smaller than 0.1 mm or larger than 1.0 mm, the ground electrode side thermal stress exceeds the level of the center electrode side thermal stress. ing. This is because if the radius of curvature R is smaller than 0.1 mm, the shape of the melted portion becomes steep and thermal stress tends to concentrate, and if the radius of curvature R is larger than 1.0 mm, the radius of curvature R is too large. This is probably because the difference from the shape of the melted portion becomes smaller and the merit of having the curvature radius R is lost.
[0071]
From the above, in the present embodiment, on the ground electrode 40 side, the outer surface 47a of the melting part 47 connecting the side surface 45a of the ground electrode side chip 45 and the tip end side surface 43 of the ground electrode 40 has a radius of curvature R. It has a curved shape that is concave. The curvature radius R is preferably 0.1 mm or greater and 1.0 mm or less.
[0072]
Further, FIG. 8B is a diagram showing a cross section of the ground electrode side tip 45 in contact with the ground electrode 40. When the ground electrode side tip 45 is actually laser welded to the ground electrode 40, the radius of curvature is shown. If R is to be reduced, the penetration depth d of the melting part 47 is not sufficient.
[0073]
It has been experimentally confirmed that the penetration depth d of the melted portion is required to be D / 4 or more from the viewpoint of securing the bondability between the ground electrode side chip 45 and the ground electrode 40. Here, D is the maximum width of the cross section in contact with the ground electrode 40 of the ground electrode side chip 45 as shown in FIG. 8B, but in this example, the ground electrode side chip 45 having a cylindrical shape is used. Corresponds to the diameter of.
[0074]
However, if the penetration depth d is increased, the welding energy increases, and the nugget width W shown in FIG. 8B increases. Then, the curvature radius R also becomes large, and the merit of attaching the curvature radius R becomes small. On the other hand, if the radius of curvature R is to be reduced, the nugget width W is also reduced, and the penetration depth d is also reduced, making it difficult to secure the bondability.
[0075]
Therefore, the value of the minimum required penetration depth d, that is, the radius of curvature R when d = D / 4 is the lower limit value for securing the bondability. D of the ground electrode side tip 45 of this example is 0.4 mm or more and 1.2 mm or less. When the radius of curvature R when d = D / 4 is obtained for D in this range, R = D / 4 (D × 1/4).
[0076]
Further, from the result of FEM analysis, in order to exhibit the merit of adding the radius of curvature R, the D is preferably 3D / 4 (D × 3/4) or less. Therefore, in order to ensure the bondability of the noble metal tip while exhibiting the effect of the curvature radius R, the maximum width of the cross section in contact with the ground electrode 40 of the ground electrode side tip 45 is D / 4 or more and 3D. / 4 or less is preferable.
[0077]
In the present embodiment, the tip of the above-described Pt, Pt alloy, Ir, Ir alloy or the like is adopted as the ground electrode side tip 45. In this case, the component of the tip 45 in the melting portion 47 is 35. It is preferable that the weight is not less than 80% by weight.
[0078]
This is based on the examination results described below. The melted portion 47 is formed by melting the ground electrode side tip 45 and the ground electrode (Ni-based alloy) 40, and therefore, the bonding property varies depending on the melt composition. Therefore, an FEM analysis was performed on the relationship between the components of the ground electrode side tip 45 and the thermal stress in the melting portion 47.
[0079]
An example of the analysis result is shown in FIG. FIG. 9 is an example in which the Ir alloy tip is adopted as the ground electrode side tip 45, and the Ir alloy component ratio (% by weight) in the melted portion 47 and the stress level ratio (center electrode side thermal stress is set to 1). The relationship with the ground electrode side thermal stress value) is shown. Further, as for the ground electrode side thermal stress, the point a (interface portion between the chip and the melted portion) and the point b (interface portion between the melted portion and the ground electrode) in the melted portion 47 in FIG. , A point is shown as a black circle plot, and b point is shown as a white circle plot.
[0080]
Here, in FIG. 9 as well, the center electrode side thermal stress is used as a reference. In this case, the diameters D and D ′ and the projecting lengths L and L ′ of both the chips 35 and 45 have the same dimensions. Further, the tip component of the melted portion 37 on the center electrode 30 side was set to a lower limit value (35% by weight in this example) that satisfies a practical level of bondability on the center electrode 30 side. The material of the chips 35 and 45 is not limited, but in this example, Ir is 90% by weight and Rh is 10% by weight.
[0081]
From FIG. 9, in order to set the thermal stress at the point a (interface between the chip and the melted portion) side to be equal to or lower than the reference central electrode side thermal stress, 35% by weight or more is preferable, and the point b (melted point) It can be seen that 80% by weight or less is preferable in order to set the thermal stress on the side of the interface between the part and the ground electrode to the reference center electrode side thermal stress or less.
[0082]
The ground electrode side tip 45 protrudes to the discharge gap 50 side from the ground electrode 40, and the temperature is higher than the ground electrode (electrode base material) 40. However, the generated thermal stress is larger than the interface between the melting portion 47 and the ground electrode 40. For this reason, in adjusting the tip component ratio of the melting portion 47, it is considered preferable to adjust the portion near the tip 45.
[0083]
As described above, according to the present embodiment, as described above, by adopting the laser welding structure in which the dimensions D and L of the ground electrode side tip 45 and the shape of the melting portion 47 are defined, the ignitability is achieved. Thus, it is possible to provide a spark plug in which the bondability between the ground electrode and the noble metal tip is improved while ensuring the above.
[0084]
Moreover, according to this embodiment, the laser welding structure of this embodiment can be manufactured appropriately by the manufacturing method shown in FIG. In addition, according to the present manufacturing method, as described in the above-mentioned conventional publication, it is not necessary to process the electrode base material to form a small diameter portion or to embed a noble metal tip in the electrode base material. It can be set as a simple manufacturing method.
[0085]
(Other embodiments)
In addition to the main ground electrode 40 that forms the spark gap, that is, the discharge gap 50, as shown in FIG. 10, the present invention includes a sub-ground electrode 40 a that faces the tip 21 of the insulator 20. The present invention can also be applied to a spark plug having the same. Here, in FIG. 10, (a) is the figure which looked at the spark discharge part from the side surface direction of the main ground electrode 40, (b) is an A arrow view of (a).
[0086]
In the spark plug shown in FIG. 10, if the same configuration as the above embodiment is adopted for the main ground electrode 40 and the noble metal tip 45 laser-welded to the main ground electrode 40, the ground electrode and the ground electrode It is possible to provide a spark plug that improves the bondability with a noble metal tip and also ensures carbon fouling resistance.
[0087]
In addition, when the base material of the ground electrode 40 in the above embodiment is a Ni-base alloy such as Inconel 600 (registered trademark) with 1.5% by weight or more of Al added, it has high ignitability and heat resistance. A spark plug having excellent oxidation resistance can be provided.
[0088]
Further, in order to improve the heat resistance and oxidation resistance, as shown in FIG. 11 (a), a Cu material 40b as a good heat conducting material is provided inside, and the Cu material 40b is a coating material made of a Ni-based alloy. The ground electrode 40 may be covered with 40c. Furthermore, as shown in FIG. 11 (b), the good heat conductive material has a two-layer structure in which a Ni material 40d is coated with a Cu material 40b as a core material, and this is covered with a coating material 40c. The electrode 40 may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a half sectional view showing an overall configuration of a spark plug according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged configuration diagram in the vicinity of a discharge gap in the spark plug shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a tip welding structure on the center electrode side in the spark plug shown in FIG. 1;
4 is a schematic cross-sectional view showing a tip welding structure on the ground electrode side in the spark plug shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an explanatory view showing a welding method between a ground electrode side tip and a ground electrode.
FIG. 6 is a diagram showing an analysis result on the relationship between the shape of the ground electrode side tip and the ignitability.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a conventional shape in a tip welding structure on the ground electrode side.
FIG. 8A shows the thermal stress generated in the melted portion when the radius of curvature R is changed.
(B) shows the penetration depth d and the nugget width W of the melted part.
FIG. 3 is a diagram showing a cross section in contact with a ground electrode of a noble metal tip in order to represent
FIG. 9 shows the analysis result of the relationship between the composition of the Ir alloy chip and the thermal stress in the molten part.
FIG.
FIG. 10 shows a spark lamp as another embodiment of the present invention having a main ground electrode and a sub-ground electrode.
It is a figure which shows the principal part of a lug.
FIG. 11 shows a spar as another embodiment of the present invention having a ground electrode having a plurality of layer structures.
It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of a cuprag.
[Explanation of symbols]
30 ... Center electrode, 40 ... Ground electrode, 43 ... Side surface of the tip of the ground electrode,
45: Ground electrode side chip, 45a: Side surface of ground electrode side chip,
45b ... one end surface of the ground electrode side chip, 47 ... a melting part on the ground electrode side,
47a: the outer surface of the fusion part connecting the side surface of the ground electrode side tip and the side surface of the tip of the ground electrode, 50: discharge gap

Claims (7)

放電ギャップ(50)を介して対向配置された中心電極(30)および接地電極(40)と、
前記接地電極における前記放電ギャップに面する部位(43)にレーザ溶接された貴金属チップ(45)とを備えるスパークプラグにおいて、
前記貴金属チップは、その一端側が前記接地電極にレーザ溶接され、他端側の先端面の断面積が0.12mm2以上1.15mm2以下であって前記接地電極からの突出長さ(L)が0.3mm以上1.5mm以下であり、
前記接地電極と前記貴金属チップとが溶け込み合った溶融部(47)において、前記貴金属チップの側面(45a)と前記接地電極における前記貴金属チップの接合面(43)とを結ぶ外面(47a)が、凹んだ曲面形状であり、0.1mm以上1.0mm以下の曲率半径(R)を有していることを特徴とするスパークプラグ。
A center electrode (30) and a ground electrode (40) arranged opposite to each other via a discharge gap (50);
In a spark plug comprising a noble metal tip (45) laser welded to a portion (43) facing the discharge gap in the ground electrode,
The noble metal tip has one end side of the laser-welded to the ground electrode, the sectional area of the distal end surface of the other end side 0.12 mm 2 or more 1.15 mm 2 or less was in projection length from said ground electrode (L) Is 0.3 mm or more and 1.5 mm or less,
In the melting part (47) in which the ground electrode and the noble metal tip are melted together, an outer surface (47a) connecting the side surface (45a) of the noble metal tip and the joint surface (43) of the noble metal tip in the ground electrode, A spark plug having a concave curved shape and having a radius of curvature (R) of 0.1 mm to 1.0 mm .
前記曲率半径(R)は、前記貴金属チップ(45)の前記接地電極(40)と接している断面の最大幅をDとすると、D/4以上3D/4以下であることを特徴とする請求項1に記載のスパークプラグ。  The curvature radius (R) is D / 4 or more and 3D / 4 or less, where D is the maximum width of the cross section of the noble metal tip (45) contacting the ground electrode (40). Item 2. The spark plug according to item 1. 前記貴金属チップ(45)は、Irを主成分としRh、Pt、Ni、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする請求項1または2に記載のスパークプラグ。  The spark according to claim 1 or 2, wherein the noble metal tip (45) is an alloy containing Ir as a main component and at least one of Rh, Pt, Ni, W, Pd, Ru, and Os added thereto. plug. 前記貴金属チップ(45)は、Irを主成分とし、50重量%以下のRh、50重量%以下のPt、40重量%以下のNi、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする請求項3に記載のスパークプラグ。  The noble metal tip (45) is mainly composed of Ir, 50% by weight Rh, 50% by weight Pt, 40% by weight Ni, 30% by weight W, 40% by weight Pd, 30% or less. The spark plug according to claim 3, wherein the spark plug is an alloy to which at least one of Ru of not more than wt% and Os of not more than 20 wt% is added. 前記貴金属チップ(45)は、Ptを主成分としIr、Ni、Rh、W、Pd、Ru、Osの少なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする請求項1または2に記載のスパークプラグ。  The spark according to claim 1 or 2, wherein the noble metal tip (45) is an alloy containing Pt as a main component and at least one of Ir, Ni, Rh, W, Pd, Ru, and Os added thereto. plug. 前記貴金属チップ(50、60)は、Ptを主成分とし、50重量%以下のIr、40重量%以下のNi、50重量%以下のRh、30重量%以下のW、40重量%以下のPd、30重量%以下のRu、20重量%以下のOsの少なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする請求項5に記載のスパークプラグ。  The noble metal tips (50, 60) are mainly composed of Pt, 50 wt% or less of Ir, 40 wt% or less of Ni, 50 wt% or less of Rh, 30 wt% or less of W, or 40 wt% or less of Pd. The spark plug according to claim 5, wherein the spark plug is an alloy to which at least one of Ru of 30 wt% or less and Os of 20 wt% or less is added. 前記溶融部(47)における前記貴金属チップ(45)の成分は、35重量%以上80重量%以下であることを特徴とする請求項3ないし6のいずれか一つに記載のスパークプラグ。  The spark plug according to any one of claims 3 to 6, wherein a component of the noble metal tip (45) in the melting part (47) is not less than 35 wt% and not more than 80 wt%.
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